Kältemittel oder Wasser? Welche indirekte Freikühlung ist die günstigste im Rechenzentrum?

Autor / Redakteur: lic.rer.publ. Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Die Größe des Rechenzentrums spielt bei der Wahl der bestgeeigneten Kühlmethode eine entscheidende Rolle. Das zeigt eine Untersuchung des Rechenzentrumsausrüsters Stulz, bei der die Kalkulation zweier indirekter Freikühlmethoden verglichen wird.

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Das Kältemittel R134a wird bis 2010 reduziert, die Alternative R1234ze besitzt noch nicht alle Zertifizierungen und ist zudem rund dreimal teurer als der Vorläufer. Aöso doch lieber Wasser einsetzen?
Das Kältemittel R134a wird bis 2010 reduziert, die Alternative R1234ze besitzt noch nicht alle Zertifizierungen und ist zudem rund dreimal teurer als der Vorläufer. Aöso doch lieber Wasser einsetzen?
(Bild: stockWERK/Fotolia.com)

Welche Kühlmethode ist die beste? Diese Frage stellt sich jedem Rechenzentrumsarchitekten. Doch eine passende Antwort ist nicht immer einfach zu finden. Vielmehr kommt es sehr auf die Bedingungen des Einzelfalls an. Und manchmal sind es unerwartete Faktoren, die letztlich den Ausschlag für die eine oder andere Kühlmethode geben. Das zeigt der Vergleich von zwei ansonsten für die gleichen Bedingungen vorgesehenen indirekten Freikühlanlagen: eine mit Kühlung durch Kältemittel, die andere mit Wasser-Kühlkreislauf.

Leser mögen sich fragen, warum die direkte Freikühlung nicht in den Vergleich einbezogen wird. Natascha Meyer, beim RZ-Klimaspezialisten Stulz verantwortlich für den Vertrieb von Chiller-Systemen erläutert: „Die direkte Freikühlung, wird vielerorts, obwohl rein technisch möglich, doch nicht eingesetzt, weil sie durch die großen Wandöffnungen, die dafür nötig sind, die Sicherheit beeinträchtigt.“ Die Methode der Wahl sei deshalb heute bei Rechenzentren der verbreiteten Sicherheitsklasse III meist die indirekte freie Kühlung. Für welche ihrer Varianten man sich entscheiden sollte, hängt maßgeblich von der RZ-Fläche ab.

In dem Beispiel, das Meyer zitiert, werden die oben erwähnten indirekten Freikühlmethoden (mit Kältemittel (GE) und mit Kaltwasser (CW) gegebenenfalls mit etwas Glykol als Kühlmittel) verglichen. Indirekte Freiluft-Kühlsystemen kühlen das Kühlmedium, das warm aus dem Rechenzentrum geführt wird, wenn möglich mit Umgebungsluft, die Rechner selbst aber mit kalter Luft, die zuvor von dem in einem separaten Kreislauf befindlichen Kältemittel vorbeigeführt und über Wärmetauscher abgekühlt wird.

Welche Kühlmittel sind erlaubt?

Bei der mit Wasser betriebenen Anlage kühlt ein zentraler Computer Room Air Handler auf dem Dach das Kühlmedium, bei der Anlage mit Kühlmittel verwendet man einen Computer Room Air Conditioner (CRAC) mit internem Kompressor zur Kälte-Erzeugung direkt im Computerraum, falls die Außenluft zu warm ist und das Kühlmedium zu warm vom zum CRAC gehörenden Kühlbehälter auf dem Dach zurückkommt. CRACs sind modular aufgebaut und dezentral, wachsen also schrittweise mit dem Kühlbedarf mit, während der CRAHs in größeren Einheiten angeboten werden und als zentrale Einheiten größere Rechnermengen kühlen.

Je weniger Volumen ein spezifisches Kühlmittel kühlt, desto größer muss eine Anlage ausfallen – leider kühlt das umweltfreundlichste der dargestellten Kühlmittel am schlechtesten.
Je weniger Volumen ein spezifisches Kühlmittel kühlt, desto größer muss eine Anlage ausfallen – leider kühlt das umweltfreundlichste der dargestellten Kühlmittel am schlechtesten.
(Bild: Stulz)

Eine Besonderheit kältemittelbasierender Anlagen ist, dass die volumetrische Kühlleistung sich je nach verwendetem Kühlmittel sehr unterschiedlich gestaltet und die Komponenten für dieselbe Kühlleistung umso größer gebaut werden müssen, je schwächer die Kühlleistung des Kältemittels ist. Leider haben ausgerechnet diejenigen Kühlmittel, die besonders wenig klimaschädigendes Potential entwickeln, auch die geringste Kälteleistung und erfordern deswegen größere Anlagen.

Dies gilt besonders für das zukünftig wohl standardmäßig eingesetzte „R1234ze“. „R22“ darf inzwischen nicht mehr verwendet werden, „R407c“ nur noch in der Schweiz, „R134a“ wird bis 2030 reduziert und ist ab dann nicht mehr erlaubt. Derzeit hat R1234ze aber noch nicht alle Zertifizierungen durchlaufen und ist aktuell zudem rund dreimal teurer ist als der Vorläufer.

Die Kosten hängen von der Fläche und dem Einsatzort ab

Bei der Kostenbetrachtung berücksichtigt Stulz Anschaffungs- und Betriebskosten. Zu Grunde gelegt wird zudem eine typische Jahres-Temperaturkurve der Stadt Hamburg und durchgängiger Ganzjahresbetrieb.

Kostenrelationen der Investition in die Komponenten von indirekten Freikühlanlagen, die mit Kühlmittel (GE) und mit Kaltwasser betrieben werden.
Kostenrelationen der Investition in die Komponenten von indirekten Freikühlanlagen, die mit Kühlmittel (GE) und mit Kaltwasser betrieben werden.
(Bild: Stulz)

Die nutzbare Fläche im projektierten Rechenzentrum soll 15 mal 30 Meter groß sein und eine Kälteleistung von 1 Kilowatt pro Quadratmeter beziehungsweise 444 Kilowatt brauchen. Als Raumtemperatur wird 30 Grad Celsius angepeilt und die relative Luftfeuchtigkeit sollte 40 Prozent betragen. Die Außentemperaturen im Sommer sollten maximal 35 bis 38 Grad Celsius erreichen, was heute im Hochsommer durchaus keine Besonderheit mehr ist.

Bei der Berechnung der Anlage stellt es sich heraus, dass das Design des RZ-Raumes letztlich für die Kosten des kältemittelbetriebenen Systems eine große Rolle spielt. In einer ersten Kalkulationsvariante wird die gesamte Leistung in einem Raum der Größe 30 mal 15 Meter untergebracht.

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Rechnen muss sein

Soll dieser Raum gekühlt werden, braucht man dazu sechs CRAC-Einheiten zu 74 Kilowatt Leistung. Ist n+1-Redundanz gewünscht, sind sieben Anlagen erforderlich. Teilt man dasselbe Rechenzentrum in zwei Räume zu je 222 Quadratmeter, beispielsweise, weil das Rechenzentrum nur schrittweise gefüllt werden soll, so sind für eine n+1-Versorgung mit Kühlleistung pro Raum vier Einheiten nötig, insgesamt also acht. Wird der zweite Raum erst sehr viel später benötigt, muss man allerdings auch die CRACs dafür erst später kaufen.

Gegenüberstellung der aktiven Komponenten von GE- und Kaltwasseranlage außerhalb und innnerhalb des Rechenzentrums
Gegenüberstellung der aktiven Komponenten von GE- und Kaltwasseranlage außerhalb und innnerhalb des Rechenzentrums
(Bild: Stulz)

Bei der Kühlmittelanlage entfallen die höchsten Investitionskosten auf den CRAC, der aber modular ausgelegt ist, bei der Kaltwasser-Anlage auf den Kaltwassersatz. Hinsichtlich der Stromkosten fallen insbesondere die verwendeten Pumpen ins Gewicht.

Die RZ-Lufttemperatur entscheidet, wie viel Kühlleistung aus jedem CRAC-Aggregat geholt werden kann: Je höher die Raumtemperatur im Rechenzentrum sein darf und je geringer die Luftfeuchtigkeit, desto mehr Fläche lässt sich mit einem Kühlaggregat gleicher Leistung kühlen. So temperiert ein baugleicher CRAC bei einer erlaubten Raumtemperatur von 28 Grad Celsius und 40 Prozent relativer Feuchte gut 50 Prozent mehr Fläche als bei Zielwerten von 24 Grad RZ-Temperatur und 50 Prozent Luftfeuchtigkeit.

Was muss rein, was kommt raus?

Beim wassergekühlten System ist die angestrebte Zu- und Abflusstemperatur des Kühlmediums zum außen befindlichen Kaltwassersatz (Chiller) entscheidend für die Leistung. Auch hier gilt aber die Grundregel: Je höher die möglichen Temperaturen, desto geringer sind die anfallenden Kühlkosten, wobei allerdings die Unterschiede nicht so gravierend ausfallen wie beim CRAC.

Das Bild zeigt, dass die Zu- und Abflusstemperatur des Kühlwassers die Notwendigkeit, aktive Kühlmaßnahmen zu verwenden, beeinflusst: Werden höhere Temperaturen zugelassen, verschiebt sich das Freikühl-Fenster in höhere Temperaturbereiche, der Betrieb wird energiesparsamer.
Das Bild zeigt, dass die Zu- und Abflusstemperatur des Kühlwassers die Notwendigkeit, aktive Kühlmaßnahmen zu verwenden, beeinflusst: Werden höhere Temperaturen zugelassen, verschiebt sich das Freikühl-Fenster in höhere Temperaturbereiche, der Betrieb wird energiesparsamer.
(Bild: Stulz)

Daraus ergibt sich für die wassergekühlte Anlage bei einer Zuflusstemperatur von 18 und einer Abflusstemperatur von 12 Grad Celsius, dass bis 4 Grad Celsius frei gekühlt werden kann, von 4 bis 16 Grad Celsius Mischbetrieb gefahren wird und oberhalb 16 Grad der Chiller die gesamte Kühlarbeit aktiv übernimmt. Reichen 20 Grad Warm- und 14 Grad Kaltwassertemperatur, verschieben sich der Mix- und der aktive Chiller-Betrieb jeweils um zwei Grad noch oben, was Stromkosten spart.

Unter den oben skizzierten Bedingungen liegen die Betriebskosten des Kaltwassersystems durchgängig unter denen des Kältemittel-basierenden Systems. Die Ergebnisse für die Variante mit den geteilten Räumen legen aber nahe, dass es bei RZ-Leistungen unterhalb 400 Kilowatt und Skalierung in kleinen Schritten wegen des modularen Aufbaus der CRACs günstiger ist, auf ein Kühlmittel-basierendes System auszuweichen. Oberhalb 500 Kilowatt empfiehlt sich grundsätzlich ein Kaltwassersatz, im Bereich dazwischen entscheiden individuelle Gegebenheiten.

* Ariane Rüdige ist freie Journalisitin in München.

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